System uziemienia stanowi waønπ

Transkrypt

1 62 pomiary rezystancji uziemienia Pomiary rezystancji uziemienia Tomasz Koczorowicz Wyniki pomiarûw rezystancji uziemienia wymagajπ szczegûlnie uwaønej analizy. Osoba wykonujπca pomiary musi posiadaê dobrπ znajomoúê badanego obiektu i jego bezpoúredniego otoczenia. Metoda pomiaru powinna uwzglídniaê specyfikí systemu uziemienia, aby uzyskany wynik by rzetelny. W artykule opisano zagadnienia teoretyczne zwiπzane z pomiarami rezystancji uziemienia. TeoriÍ uzupe niono opisem najlepszego przyrzπdu z oferty brytyjskiej firmy Megger o symbolu DET2/2, ktûry przeznaczony jest do pomiarûw duøych systemûw uziemieò w obecnoúci silnych zak ÛceÒ w gruncie. System uziemienia stanowi waønπ czíúê ca ego uk adu zasilania. Ma on decydujπcy wp yw na bezpieczeòstwo oraz ca kowity koszt budowy instalacji. Prawid owe uziemienie to takie, w obecnoúci ktûrego prπd przebicia powoduje zadzia anie zabezpieczeò. W tym celu dπøy sií do uzyskania najmniejszej rezystancji przejúcia uziomu do ziemi. WartoúÊ tej rezystancji zaleøy od rezystywnoúci gruntu otaczajπcego uziom, a wiíc od jego w aúciwoúci i wilgotnoúci. Zawsze przed zainstalowaniem uziomu lub systemu uziemienia powinna byê zmierzona rezystywnoúê otaczajπcego gruntu. Na podstawie tych wynikûw podejmowana jest decyzja, czy bardziej korzystnym rozwiπzaniem jest umieszczenie uziomu na wiíkszej g Íbokoúci, czy teø dodanie kolejnych elektrod i πczπcych je kabli lub zastosowanie uziomu kratowego ewentualnie p ytowego. Rys. 1. NapiÍcia krokowe i dotykowe 62 Rys. 2. Zmiana rezystancji uziemienia (krzywa 1) i napiícia (krzywa 2) w funkcji odleg oúci od uziomu Zagroøenia Niedok adne pomiary rezystywnoúci mogπ prowadziê do nadmiernych kosztûw inwestycji. Obowiπzkowo po zakoòczeniu prac powinna zostaê przeprowadzona kontrola potwierdzajπca spe nienie przez uziemienie wymagaò za oøeò projektowych. System musi rûwnieø podlegaê okresowym sprawdzeniom w trakcie eksploatacji w celu upewnienia sií, czy korozja lub zmiany w rezystywnoúci gruntu znaczπco nie wp yní y na jego parametry. SieÊ uziemieò moøe nie ujawniaê swojej niesprawnoúci dopûty, dopûki nie wystπpi przebicie i w efekcie niebezpieczna sytuacja. Stosowanie odpowiedniej techniki pomiarowej zaleøy przede wszystkim od rozleg- oúci uziemienia. Sprawdzenie uziomu wykonanego w formie ma ych, pojedynczych elektrod (np. urzπdzenia piorunochronnego lub innego uziemienia w budynku) znacznie sií rûøni od metody kontroli stosowanej w przypadku duøych, skomplikowanych konstrukcji. Pojedyncze badanie w przypadku rozleg ego uziemienia, odmiennie niø w wiíkszoúci innych pomiarûw elektrycznych, nie jest wystarczajπce do uzyskania ostatecznego wyniku. listopad 2004

2 pomiary rezystancji uziemienia Rys. 3. Uk ad pomiarowy metodπ spadku potencja u Ma a wartoúê rezystancji uziemienia Dobre przejúcie do ziemi jest zasadniczym wymaganiem stawianym przed systemem uziemieò. Spe nienie tego warunku gwarantuje zadzia anie zabezpieczeò i redukuje rûønicí potencja Ûw w gruncie w pobliøu elektrod. RÛønica potencja Ûw w gruncie GPR (Ground Potential Rises) moøe byê obliczona na podstawie prawa Ohma ze spodziewanego prπdu zwarciowego i rezystancji uziemienia. Daje to w wyniku maksymalnπ rûønicí potencja Ûw pomiídzy oddalonym punktem odniesienia (ziemiπ odniesienia) a samym systemem uziemienia. Typowy prπd zwarciowy wynosi od 1 do 10 ka, a wûwczas nawet przy rezystancji uziemienia rûwnej 0,2 Ω, GPR wynosi od 200 V do 2 kv. W celu zilustrowania zagroøenia poraøeniem elektrycznym ludzi przebywajπcych w pobliøu miejsca przebicia, moøna obliczyê napiície krokowe oraz dotykowe (rys. 1). NapiÍcie dotykowe jest rûønicπ potencja- Ûw wystípujπcπ pomiídzy stopπ, a miejscem dotyku elementu systemu uziemienia (np. ogrodzeniem rozdzielni). NapiÍcie krokowe jest rûønica potencja Ûw wystípujπcπ pomiídzy stopami osoby (stopy w odleg oúci 1 m). NapiÍcie to zmienia sií proporcjonalnie do zmian rezystancji powierzchni gruntu wokû uziemienia (rys. 2). Jak juø wspomniano, w aúciwoúci gruntu w pobliøu uziomu majπ najwiíkszy wp yw na rezystancjí uziemienia i to jest to miejsce, gdzie zwykle wystípuje najbardziej niebezpieczne napiície krokowe. Gdy GPR jest duøe, wûwczas podczas przebicia izolacji istnieje rûwnieø niebezpieczeòstwo poraøenia elektrycznego spowodowane obecnoúciπ umieszczonych w pobliøu przewodnikûw, np. linii telefonicznych. Linia telefoniczna jest uziemiona w kilku oddalonych punktach. Przebicie moøe spowodowaê ÑtransmisjÍ napiíciaî zbliøonego co do wartoúci rûønicy potencja Ûw GPR. Pomiary systemûw uziemieò W celu zmierzenia rezystancji systemu uziemienia wymusza sií przep yw prπdu miídzy pomocniczπ sondπ prπdowπ a systemem uziemienia. Druga sonda pomocnicza uøywana jest do pomiaru spadku napiícia bídπcego rezultatem przep ywu prπdu pomiarowego. Z wartoúci napiícia i prπdu obliczana jest wartoúê rezystancji. Rys. 4. Teoretyczna charakterystyka rezystancji uziemienia pojedynczego uziomu

3 64 pomiary rezystancji uziemienia Metoda spadku potencja u Jest to podstawowa metoda pomiaru rezystancji uziemienia. Ze wzglídu na ograniczony zakres stosowania zwiπzany z obszarem niezbídnym do przeprowadzenia badania, powinna byê wykorzystywana wy πcznie do ma ych, pojedynczych elektrod. Metoda ta zak ada, øe odleg oúê do sondy prπdowej musi byê dziesiíê razy wiíksza od maksymalnego fizycznego wymiaru systemu uziemienia. W przypadku pojedynczego uziomu o d ugoúci 2 m nie stanowi problemu umieszczenie sondy w odleg oúci 20 m. Uk ad pomiarowy dla takiego systemu uziemienia pokazano na rys. 3. Dla uziemieò jednoelektrodowych, takich jak uziemienia w budynkach oraz urzπdzenia piorunochronne, wp yw na otaczajπcy grunt jest ograniczony i pomiarowa sonda prπdowa moøe znajdowaê sií ca kiem blisko (nawet ok. 10 m) od badanego uziomu. Zwykle atwo jest wtedy znaleüê p askπ czíúê krzywej rezystancji uziemienia, bídπcπ miejscem w aúciwej lokalizacji sondy napiíciowej. Generalnie, w przypadku metody spadku potencja u sondí prπdowπ umieszcza sií w odleg oúci od 30 do 50 m od badanego uziomu. SondÍ napiíciowπ wbija sií poúrodku miídzy sondπ prπdowπ a badanym uziomem. Operator dokonuje pierwszego pomiaru, a nastípnie przemieszcza sondí napiíciowπ najpierw 3 m dalej, a nastípnie 3 m bliøej uziomu (wzglídem miejsca po oøenia podczas pierwszego pomiaru) w celu sprawdzenia poprawnoúci pomiaru. Jeøeli te trzy wyniki sπ zbieøne w granicach dopuszczalnego dla danego miernika b Ídu pomiarowego, ich wartoúê úrednia moøe byê traktowana jako rezystancja uziemienia. Na rys. 4 pokazano przyk ad zaleønoúci rezystancji uziemienia w funkcji odleg- Tab. 1. Przyk ady odleg oúci w uk adzie pomiarowym opartym na regule 61,8% Maksymalny wymiar (odleg oúê miídzy elektrodami stanowiπcymi badany system uziemienia) oúci od uziomu dla ma ego systemu uziemienia z sondπ prπdowπ umieszczonπ w odleg oúci 50 m. Umieszczajπc sondí napiíciowπ w odleg oúci od 10 m do 40 m, otrzymuje sií wyniki bliskie rzeczywistej wartoúci rezystancji uziemienia. Przy odleg oúci od uziomu mniejszej niø 10 m Ñobszar rezystancjiî uziomu bídzie oddzia- ywa na wynik, natomiast powyøej 40 m Ñobszar rezystancjiî sondy prπdowej bídzie powodowa zawyøanie rezultatu pomiaru. Przeprowadzenie pomiarûw w kilku punktach i wykreúlenie na ich podstawie krzywej pomoøe w zrozumieniu pojícia Ñobszaru rezystancjiî wokû uziomu. Zawsze najlepszπ metodπ sprawdzenia wiarygodnoúci rezultatûw jest wykonanie pomiarûw rezystancji uziemienia w rûønych kierunkach rozmieszczenia sond lub dla wiíkszych odleg oúci miídzy sondami pomocniczymi. Pomoøe to wyeliminowaê ewentualne b Ídy wynikajπce z bliskiej obecnoúci zakopanych przewodnikûw (rury, zbrojenia itp.) lub czíúci systemu elektrycznego (kable energetyczne, kable telefoniczne itp.), ktûre mogπ mieê wp yw na wyniki. Regu a 61,8% Jak juø wspomniano, zarûwno sonda prπdowa, jak i elektroda uziemienia majπ swoje Ñobszary rezystancjiî. Metoda spadku potencja u moøe byê z powodzeniem stosowana tylko wûwczas, gdy sonda prπdowa jest na tyle odsuniíta od uziomu, øe nie ma efektu zachodzenia na siebie tych obszarûw. Co wiícej, sonda napiíciowa 5 m 10 m 20 m Odleg oúê sondy napiíciowej od úrodka systemu uziemienia 62 m 93 m 124 m Odleg oúê sondy prπdowej od úrodka systemu uziemienia 100 m 150 m 200 m musi znajdowaê sií pomiídzy tymi obszarami (rys. 5). Jeøeli te warunki nie sπ spe nione, wyniki mogπ byê zafa szowane. Teoretycznie rzecz biorπc obie sondy (prπdowa i napiíciowa) powinny znajdowaê sií w nieskoòczonej odleg oúci od uziomu. Rozwaøania graficzne i wyniki doúwiadczalne dowodzπ, øe rzeczywista rezystancja uziemienia jest rûwna zmierzonej wartoúci rezystancji wûwczas, gdy sonda napiíciowa jest umieszczona w odleg oúci rûwnej 61,8% dystansu miídzy uziomem a sondπ prπdowπ. Jest to tzw. regu a 61,8% i dotyczy wy πcznie przypadkûw, gdy elektroda uziemienia, sonda napiíciowa i prπdowa sπ u oøone w linii prostej, grunt jest jednorodny, a Ñobszar rezystancjiî uziomu jest niewielki i moøe byê aproksymowany przez pû kulí. Moøna uznaê, øe Ñregu a 61,8%î jest szczegûlnym przypadkiem wczeúniej opisanej metody spadku potencja u. Znajduje ona zastosowanie do pomiaru ma ych systemûw uziemieò sk adajπcych sií z jednej elektrody lub p yty itp. oraz úrednich systemûw sk adajπcych sií z kilku elektrod. NajczÍúciej sonda prπdowa powinna byê umieszczona w odleg oúci 30 do 50 m od úrodka badanego systemu uziemienia. W przypadku uziemieò úredniej wielkoúci odleg oúê ta musi byê zwiíkszona. W tab. 1 podano przyk ady odleg oúci w uk adzie pomiarowym opartym na tej regule. W celu uwiarygodnienia wyniku pomiaru wskazane jest przeprowadzenie kilku sprawdzeò przez przesuniície sondy prπdowej, np. o 10 m w kierunku badanego systemu oraz w kierunku przeciwnym wzglídem jej pierwszego po oøenia. Naleøy pamiítaê o jednoczesnym skorygowaniu po oøenia sondy napiíciowej zgodnie z regu π 61,8%. årednia z tych trzech pomiarûw bídzie stanowiê rezultat koòcowy. Metoda zbocza Rys. 5. Obszary rezystancji skojarzone z uziomem i sondπ pomiarowπ 64 Rozbudowane systemu uziemieò towarzyszπce, np. stacjom i elektrowniom tworzπ rozleg e Ñobszary rezystancjiî, ktûre wymuszajπ stosowanie znacznych odleg- oúci do sond prπdowych. W systemach takich wartoúê rezystancji uziemienia rolistopad 2004

4 pomiary rezystancji uziemienia Rys. 6. Teoretyczna charakterystyka rezystancji uziemienia w przypadku rozleg ego systemu uziemienia Rys. 7. Krzywa rezystancji uziemienia utworzona w wyniku pomiarûw metoda zbocza boczego jest mniejsza niø 0,5 Ω, a wiíc jest dobrym przejúciem do ziemi dla duøych spodziewanych prπdûw w czasie zwarcia. Jak wspomniano wczeúniej, odleg oúê do sondy prπdowej przy stosowaniu metody spadku potencja u powinna byê dziesiíê razy wiíksza od maksymalnego fizycznego wymiaru systemu uziemienia. Dla stacji z siatkπ uziemiajπcπ o powierzchni w kszta cie kwadratu o boku 100 m, sonda prπdowa powinna znajdowaê sií w odleg oúci 1 km od badanego uziemienia. Jest to zadanie niewykonalne w realnych warunkach. W podobnych przypadkach znajduje zastosowanie tzw. metoda zbocza. Metoda ta umoøliwia zmniejszenie d ugoúci przewodûw pomiarowych oraz zmniejsza prawdopodobieòstwo zachodzenia na siebie, a tym samym oddzia ywania innych lokalnych systemûw uziemieò. Umoøliwia ona pomiar rozleg ych systemûw uziemieò bez poszukiwania p askiej czíúci na krzywej charakterystyki rezystancji (rys. 6). Redukuje to obszar pomiarûw oraz dodatkowo ñ co jest istotne w przypadku duøych uziemieò lub uziemieò z niedostípnym punktem centralnym ñ nie wymaga znalezienia ich elektrycznego úrodka. Metoda zbocza moøe byê rûwnieø stosowana wûwczas, gdy wczeúniej opisane techniki okaza y sií ma o wiarygodne oraz gdy jest wymagana wiíksza dok adnoúê pomiaru. Konieczne jest wykonanie kilku obliczeò, przy czym uzyskane wyniki mogπ byê w prosty sposûb zweryfikowane dajπc dodatkowe potwierdzenie prawid owoúci badania. Metoda polega na wykonaniu co najmniej szeúciu niezaleønych pomiarûw dla rûønych odleg oúci sondy napiíciowej od systemu uziemienia, w tym dla 20, 40, 60% EC, gdzie EC ñ odleg oúê miídzy badanym uziomem i sondπ prπdowπ (co najmniej 50 m). Na podstawie wynikûw wykreúla sií charakterystykí rezystancji uziemienia (rys. 7). W ten sposûb wykres wykazuje obecnoúê nieprawid owych punktûw,

5 66 pomiary rezystancji uziemienia ktûre mogπ zostaê pominiíte w ocenie lub ponownie sprawdzone. Sonda napiíciowa powinna zawsze znajdowaê sií w jednej linii z sondπ prπdowπ oraz systemem uziemienia. Na podstawie trzech pomiarûw, wykonanych przy rûønej odleg oúci sondy napiíciowej od systemu uziemienia (20, 40 i 60% EC), oblicza sií wspû czynnik zbocza: 66 m = R60%-R40% / R40%-R20% Informuje on o zmianie kπta nachylenia krzywej rezystancji uziemienia. W instrukcjach obs ugi miernikûw firmy Megger znajdujπ sií tabele wspû czynnika. Umoøliwiajπ one okreúlenie odleg oúci sondy napiíciowej od uziemienia, przy ktûrej uzyskany wynik jest rûwny rzeczywistej rezystancji badanego systemu. Dla tej odleg oúci, na podstawie sporzπdzonej wczeúniej krzywej, wyznaczana jest poszukiwana wartoúê rezystancji uziemienia. Wskazane jest powtûrzenie ca ej procedury wraz z naszkicowaniem pe nej charakterystyki rezystancji gruntu dla innego kierunku usytuowania sond pomiarowych lub wiíkszej odleg oúci EC sondy prπdowej od badanego systemu. Dla rûønych wartoúci EC moøe byê sporzπdzona krzywa, jak pokazano w przyk adzie na rys. 8. Jak widaê, rezystancja uziemienia zmniejsza sií wraz ze wzrostem odleg oúci EC. W przedstawionym przyk adzie odleg oúê EC w przypadku pomiarûw 1 i 2 by a zbyt ma a, natomiast dla pomiarûw 3 i 4 jest do przyjícia. Generalnie przy okreúlaniu rezystancji uziemieò nie naleøy sií spodziewaê dok adnoúci lepszej niø 5%. Jest to wartoúê satysfakcjonujπca, uwzglídniajπc to, øe zmiany stanu wilgotnoúci lub jednorodnoúci gruntu majπ podobny wp yw na rzeczywistπ rezystancjí systemu uziemienia. Miernik Megger DET2/2 Rezystancja uziemienia Miernik DET2/2 (rys. 9) mierzy rezystancjí uziemienia z rozdzielczoúciπ 0,001 Ω oraz rezystywnoúê gruntu. Przyrzπd zosta Rys. 8. Przyk ad zaleønoúci rezystancji uziemienia zmierzonej metodπ zbocza od odleg oúci EC Rekl_ Tomtronix Rys. 9. Miernik rezystancji uziemieò DET2/2 firmy Megger skonstruowany tak, aby mûg wykonaê rzetelny pomiar duøych systemûw uziemieò, rûwnieø o rezystancji mniejszej niø 0,5 Ω w bardzo trudnych warunkach zewnítrznych tzn. w obecnoúci silnych zak ÛceÒ pochodzπcych np. od stacji elektroenergetycznych, rozdzielni, elektrowni, instalacji telekomunikacyjnych. Miernik generuje sygna pomiarowy o czístotliwoúci przestrajanej w zakresie od 105 do 160 Hz (z krokiem 0,5 Hz) oraz jest wyposaøony we wspû bieøny, przestrajany, selektywny filtr wejúciowy. Daje to operatorowi moøliwoúê wyboru w aúciwej czístotliwoúci pracy, przy ktûrej nie wystípujπ sygna y pasoøytnicze. W systemie elektroenergetycznym obecne sπ zak Ûcenia powsta e z sygna Ûw o czístotliwoúci zasilania (podstawowej) i jej harmonicznych, wielkich czístotliwoúci pochodzπcych od procesûw πczeniowych, indukowanych sygna Ûw pochodzπcych z innych ürûde itp. Przyrzπdy bez przestrajanej czístotliwoúci pracy mogπ sií blokowaê informujπc o wysokim poziomie zak ÛceÒ lub po prostu wykonywaê b Ídne pomiary. W przypadku, kiedy zak Ûcenia majπ charakter trwa y, uøycie tradycyjnego miernika moøe byê k opotliwe. W mierniku DET2/2 zastosowano wyspecjalizowany system filtrowania, ktûry umoøliwia skuteczniejszπ eliminacjí zak ÛceÒ niø w jakimkolwiek innym przyrzπdzie firmy Megger. Miernik przed wykonaniem badania sprawdza parametry uk adu pomiarowego. Kontrolowana jest rezystancja w pítli prπdowej oraz w obwodzie pomiaru napiícia. Jeøeli wartoúê rezystancji jednego z obwodûw przewyøsza wartoúê dopuszczalnπ na wyúwietlaczu urzπdzenia pojawia sií stosowna informacja. Przyczynπ b Ídu moøe byê rozwarcie obwodu, z y styk w miejscu przy πczenia przewodûw pomiarowych lub zbyt duøa rezystywnoúê gruntu w otoczeniu badanego uziomu. Kontrola uk adu pomiarowego jest barlistopad 2004

6 pomiary rezystancji uziemienia RezystywnoúÊ gruntu DET2/2, jak wspomniano wczeúniej, s uøy rûwnieø do dok adnych pomiarûw rezystywnoúci gruntu (duøa rozdzielczoúê). Duøa dok adnoúê pomiaru rezystywnoúci ma istotne znaczenie podczas przygotowywania danych do projektowania rozleg ego systemu uziemienia. Przy pomiarach ze znacznym odstípem sond pomiarowych (rozleg e tereny) odczytywane rezystancje sπ ma e. Aby otrzymaê rzetelne wyniki pomiarûw rezystywnoúci, zasadniczym wymaganiem jest stosowanie przyrzπdu o odpowiedniej dok adnoúci przy ma ych rezystancjach. Na przyk ad jeúli odstíp miídzy sondami w gliniastym gruncie o rezystywnoúci ρ = 2πaR = 1200 Ωcm wynosi 30 m, to odczytana rezystancja powinna wynosiê 0,064 Ω. WÛwczas przyrzπd z rozdzielczoúciπ 10 mω i trzycyfrowym b Ídem moøe daê b πd pomiarowy rzídu 50% wartoúci odczytanej. Moøe to prowadziê do uziemienia ze zbyt duøπ rezystancjπ albo do nadmiernych kosztûw inwestycji, niezgodnych ze sztukπ projektowania. RozdzielczoúÊ 1 mω i trzycyfrowy b πd redukuje uchyb do mniej niø 5% wartoúci odczytanej. dzo Rys. 10. W mierniku DET2/2 zastosowano wyspecjalizowany system filtrowania, ktûry umoøliwia skutecznπ eliminacjí zak ÛceÒ przydatna w praktyce. Bywa, øe na obszarze zurbanizowanym operator ma problem ze znalezieniem miejsca do wbicia sondy i jest zmuszony np. po oøyê sondí na p ytach chodnikowych. W takim przypadku przyrzπd sam ocenia, czy w danych warunkach moøliwe jest uzyskanie poprawnego wyniku pomiaru, a jeøeli tak, to wkrûtce na wyúwietlaczu pojawia sií rezultat prûby. Miernik kontroluje rûwnieø poziom napiícia interferencyjnego w uk adzie pomiarowym. Jeøeli poziom zak ÛceÒ przekroczy 40 V badanie zostaje przerwane, a na wyúwietlaczu pojawia sií odpowiednia informacja. Operator moøe wûwczas zmieniê czístotliwoúê sygna u pomiarowego na innπ. Istnieje moøliwoúê zapisania wybranej konfiguracji przyrzπdu w wewnítrznej pamiíci do wykorzystania w przysz oúci. Budowa Sercem miernika jest mikroprocesor. Przyrzπd posiada duøy, czytelny wyúwietlacz ciek okrystaliczny oraz membranowπ klawiaturí. Uk ady elektroniczne umieszczono w solidnej, bryzgoszczelnej obudowie z tworzywa ABS, aby miernik zgodnie ze swoim przeznaczeniem mûg pracowaê w terenie, w trudnych warunkach pogodowych. DET2/2 ma zasilanie akumulatorowe oraz wbudowanπ adowarkí. Zaciski przyrzπdu umoøliwiajπ pod πczenie zewnítrznego akumulatora np. samochodowego. Miernik wyposaøono w sygnalizacjí roz adowania akumulatora oraz regulacjí kontrastu wyúwietlacza. Kaødy miernik standardowo posiada indywidualne úwiadectwo sprawdzenia wykonane przez laboratorium producenta pracujπce w systemie ISO9001. Ma ono znaczenie dla wszystkich tych uøytkownikûw, ktûrzy funkcjonujπ w oparciu o system kontroli jakoúci ISO. åwiadectwo potwierdza zgodnoúê parametrûw urzπdzenia z podanymi w instrukcji obs ugi. Przyrzπd spe nia wymagania Dyrektyw nowego podejúcia 73/23/EEC, 93/68/EEC Unii Europejskiej i zosta oznaczony symbolem zgodnoúci CE. Tomasz Koczorowicz Autor jest pracownikiem firmy Tomtronix TOMTRONIX ul. Aleja Pi sudskiego 135, Ûdü tel. (42) tel./fax (42) tomtronix@tomtronix.com.pl